磁振子自旋電子學領域重要進展：新型自旋閥結構

導讀

近日，德國美因茨大學、德國康士坦茨大學、日本東北大學的科研人員展開了國際科研合作，成功開發出用於磁振子邏輯結構的一種新元件：自旋閥（spin valve）結構， 在某種程度上實現了一種開關類型的器件，可阻止或者傳遞作為電信號的磁振子自旋電流。

背景

如今的信息技術，基本上都是採用 電荷運動 所形成的電流，傳輸和處理相關信息。 然而， 自旋電子學卻是一門不同於傳統的新學科，它採用電子的 自旋 或 磁矩 作為信息載體。

“ 磁振子自旋電子學 ”（ magnons spintronics ） 是一個新興的科研領域。 筆者曾多次介紹“自旋電子學” 的概念 。 那麼 “ 磁振子 ”（ magnon ） 又是什麼呢？ 它 是自旋波的元激發（ 在現代固態物理中，“自旋”和“磁”這兩個概念通常密不可分 ）。 自旋波，是指序磁性（鐵磁、亞鐵磁、反鐵磁）體中相互作用的自旋體系，由於各種激發作用引起的集體運動，是一種發生於磁性材料中的特殊波 。

在“磁振子自旋電子學”領域，科研人員們旨在研究利用“ 磁振子自旋電流 ”（ magnon spin currents ）傳輸和處理信息。 磁振子自旋電流傳導的並不是電荷，而是磁矩。 這些都是通過“磁波”（magnetic wave）或者所謂的“磁振子”作為媒介傳導的，類似於通過磁性材料傳播的聲波。

磁振子自旋電子學的基礎構建模塊是“ 磁振子邏輯器件 ”。例如，磁振子邏輯器件能進行基本邏輯操作，通過自旋電流的“疊加”處理信息。例如，筆者前不久剛介紹過荷蘭格羅寧根大學開發的 基於 磁振子的自旋晶體管 。

（圖片來源： L. Cornelissen ）

創新

今天，筆者再為大家介紹一項 磁振子自旋電子學 領域的創新成果。 近日，德國美因茨大學（ JGU ）、德國康士坦茨大學、日本東北大學的科研人員展開了國際科研合作，成功地在 磁振子邏輯結構集中添加了 一種新 元件： 自旋閥（spin valve） 結構 。

自旋閥結構， 是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。 這種結構能證明，磁振子電流的檢測效率取決於器件的磁場位形。 一般來說，它可以用於 傳輸 （ 下圖下部 ）或者 阻止 （ 下圖上部 ）傳入的信息。

（圖片來源：Joel Cramer ）

這項研究的相關論文已在線發表於《 自然通信（ Nature Communications ） 》雜誌。 德國美因茨 大學 卓越材料科學研究所的研究員 Joel Cramer 是這篇論文的第一作者。 美因茨大學 研究的自旋輸運問題以及自旋電流的創造與檢測，是作為 CRC/Transregio

173: Spin+X 項目的一部分，這個項目由德國研究基金會從2016年開始資助。

技術

這項研究中採用的自旋閥結構，是由 絕緣鐵磁體釔鐵石榴石 （ YIG ）、 絕緣反鐵磁體氧化亞鈷 (CoO) 、 金屬反鐵磁體鈷 （ Co ）組成的三層膜系統： YIG/CoO/Co 。 通過微波輻射生成振盪磁場，YIG磁化強度 被刻意地偏轉，從而激發出進入 CoO 的磁振子自旋電流。 由於“ 逆自旋霍爾效應 ” ，在 金屬反鐵磁體 Co 層中，磁振子自旋電流被轉化為電荷電流，然後會被檢測到。

（圖片來源： 參考資料【2】 ）

之前，筆者曾介紹過德國凱澤斯勞滕工業大學（ TUK ）科研團隊一項創新成果，其中也採用了“ 逆自旋霍爾效應 ”。TUK 科研團隊 採用的是飛秒激光器激發出的極短激光脈衝。 當激光脈衝照射到納米結構上時，激發了離子薄膜中的電子，從而創造出自旋電流。 當這種電流流入鄰近的 鉑 層時，也會出現同樣的物理現象： 逆自旋霍爾效應 。 鉑的原子核使得電子向相反方向 偏轉 ，即左手或者右手自旋，導致自旋電流變化為超高速的瞬態電荷流，然後變成 太赫茲波 的發射源。

（圖片來源： TUK ）

實驗證明： 檢測到的信號幅度強烈地依賴於自旋閥的磁場位形 。 在 反平行對齊的YIG和Co 磁化強度中，信號幅度大約比平行狀態高120%。 反复切換Co的磁化強度，將進一步揭示這種效應具有魯棒性，並適合長期操作。 Joel Cramer 表示：“總而言之，這種效應某種程度上實現了一種開關類型的器件，它可以 阻止 或者 傳遞 作為電信號的 磁振子電流 。 ”

價值

磁振子自旋電子學的根本目的在於： 採用磁振子取代電荷，作為信息技術概念中的信息載體 。 此外，磁振子也為 基於自旋波的計算 提供了可能性，這種基於自旋波的計算為邏輯數據處理提供了更多選項。 與此同時，磁振子以相對較小的損耗，在磁性絕緣體中傳播，也有望幫助進一步 提高數據處理的能量效率 。

Joel Cramer 表示 ：“我們實驗的成果是一種可應用於未來磁振子邏輯運算的效應，從而在磁振子電子自旋學領域作出重要貢獻。”

關鍵字

自旋電子學 、 磁振子 、 計算機 、 邏輯運算

參考資料

【1】 https://idw-online.de/en/news690805

【2】Joel Cramer, Felix Fuhrmann, Ulrike Ritzmann, Vanessa Gall, Tomohiko

Niizeki, Rafael Ramos, Zhiyong Qiu, Dazhi Hou, Takashi Kikkawa, Jairo

Sinova, Ulrich Nowak, Eiji Saitoh, Mathias Kläui. Magnon detection using a ferroic collinear multilayer spin valve . Nature Communications , 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-03485-5

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